科技日报记者 朱虹
长期以来，为了调控碳点的荧光特性，科学家们常常像开“盲盒”一样，尝试掺杂不同的元素。然而，这种传统的“试错”模式往往让人知其然而不知其所以然。记者9月2日获悉，哈尔滨工业大学周玉院士团队李保强教授成功打破了这一研发僵局。他们从“分子基团”层面精准入手，揭开了有机磷基团调控碳点荧光特性的机制，并合成出兼具高荧光产率和超强金属离子亲和力的新型碳点。相关成果近日发表于化学与材料领域的顶级学术期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）。
碳点是指粒径尺寸小于10纳米的碳纳米颗粒，作为碳材料领域的新材料，碳点可用于水环境中铜离子检测或生物体或细胞内铜离子检测。
长期以来，为了调节碳点的发光特性，科学家通常会往材料里掺杂磷元素。然而，由于一直没能弄清特定化学基团到底是如何起作用的，这种掺杂就像开“盲盒”：即便在相同的处理条件下，使用不同的磷前驱体做出的碳点，发光效果往往也大相径庭，甚至出现完全相反的结果。如何理清特定化学基团对碳点的荧光与金属离子亲和力性能影响，实现碳点材料的“按需定制”，成为亟待解决的科学难题。
针对这一难题，研究人员开发了一种基于“组合前驱体”精准合成碳点策略。以聚丙烯酰胺为基础组元，像搭积木一样，将含有三苯基膦鎓基团（TPP）或苯基膦酸基团（PA）的分子通过自由基共聚同步水热碳化技术组合进去，精准合成了8种前驱体衍生碳点。从而能够在复杂的碳骨架中，清晰地剥离并剖析不同有机膦基团的调控作用。
简单来说，研究人员从分子基团层面剖析了碳点的发光机制，发现这两种有机膦基团对碳点的荧光特性呈相反的调控能力。三苯基膦鎓基团使碳点的绝对量子产率提高了1.57倍。而苯膦酸基团则使绝对量子产率衰减了16.71%。体积庞大的三苯基鏻基团能够让碳骨架变得更加“刚性”，限制了分子内部的运动，从而使碳点的发光亮度（绝对量子产率）大幅提升了1.57倍；而吸电子的苯基膦酸基团则像一个“陷阱”，会导致无辐射消耗，使发光减弱。在金属离子亲和力方面，当三苯基膦鎓基团和苯基膦酸同时存在时，二者能使碳点对铜离子展现出超强的配位亲和力。在环境监测方面，该碳点对铜离子的检测限低至0.018nM，响应时间不到2秒，且在自来水和马家沟河水样本中均实现了准确的定量回收，为实时水质监测提供了高效平台。在生物检测方面，该材料表现出极低的细胞毒性，即使在极其复杂的细胞内微环境中，依然能够稳定、精准地捕捉并识别铜离子。
该研究完成了从“材料精准合成”到“基团作用机制解析”，再到“环境与生物应用验证”的完整闭环，实现了碳点研发从经验性原子掺杂，到基于官能团定向设计的定量可控合成的升级。这不仅为解决碳纳米材料性能调控精度不足的共性问题提供了新的解决路径，也为后续面向环境监测、生物医学等领域的智能发光材料开发奠定了可复用的设计基础。
（受访单位供图）
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